초록 ▼

본 과제에서는 PCFC의 핵심 소재·공정 및 고기능성 단전지 기술 개발을 위하여 신규 전해질 탐색 및 소재 선정, 소결 공정 최적화, 전해질 특성 향상, 다공성 cermet 음극 기판 제작, 신규 양극소재 선정 및 전기화학적 특성 평가, 신규 소재들의 열기계적/열화학적 안정성 평가, 고기능성 복합/다층 경사구조 제작, 고기능성 단전지 제작 공정 확립 및 출력 확보 등에 초점을 맞추어 연구를 수행함. BZY와 BCY 계열 전해질 소재들의 물성치를 분석하고, 이를 바탕으로 고성능 BCZY계열 신규 전해질을 개발하여 합성 공정을 최적화하

본 과제에서는 PCFC의 핵심 소재·공정 및 고기능성 단전지 기술 개발을 위하여 신규 전해질 탐색 및 소재 선정, 소결 공정 최적화, 전해질 특성 향상, 다공성 cermet 음극 기판 제작, 신규 양극소재 선정 및 전기화학적 특성 평가, 신규 소재들의 열기계적/열화학적 안정성 평가, 고기능성 복합/다층 경사구조 제작, 고기능성 단전지 제작 공정 확립 및 출력 확보 등에 초점을 맞추어 연구를 수행함. BZY와 BCY 계열 전해질 소재들의 물성치를 분석하고, 이를 바탕으로 고성능 BCZY계열 신규 전해질을 개발하여 합성 공정을 최적화하고 안정성을 확보함. 음극 및 양극의 다양한 소재 및 공정 기술을 개발하였고, 여러 분석 기술을 개발하여 전극 반응 기구를 규명함. 이러한 정보를 이용하여 최적의 복합/다층 경사구조 음극기판 및 복합체 양극 조성을 도출함. 이와 같은 전해질 및 전극 소재 기술을 기반으로 고성능 단전지를 제조􌝆평가하였으며 600℃에서 최대출력 830mW/cm²를 확보함.

(출처 : 보고서 요약서 4p)

Abstract ▼

IV. Results and Discussion

In this project, the research has been focused on searching for advanced electrolyte materials and enhancing their sinterability, electrical conductivity and chemical stability, fabricating porous cermet anode supports, understanding the cathode reaction mechanisms

IV. Results and Discussion

In this project, the research has been focused on searching for advanced electrolyte materials and enhancing their sinterability, electrical conductivity and chemical stability, fabricating porous cermet anode supports, understanding the cathode reaction mechanisms and improving the catalytic activity, obtaining thermomechanical and thermochemical stability of new materials, and developing the fabrication techniques for high performance PCFCs. In electrolyte development, BZY and BCY were considered as candidate materials, and their materials characteristics were examined. This enabled developing BCZY that has the strengths of both BZY and BCY. In addition, its electrical, electrochemical and thermo-mechanical properties were optimized by controlling fabrication conditions, composition ratios and dopant ratios. In case of BZY electrolyte, the high sintering temperature causes various problems related to the evaporation of Ba and segregation of secondary phases. In this research, techniques were developed to suppress Ba evaporation and sintering aids such as Zn, Cu, NiO, eutectic phase were employed to lower the sintering temperature and overcome the challenges related to high sintering temperatures. Moreover, the bi-layer electrolyte composed of BZY and BCY was developed. BZY, which has good stability in reducing atmosphere, was used on the anode side and BCY, which possesses high performance, was employed on the cathode side. In such case, BZY experiences compressive stress during sintering, which facilitates densification and significantly lowers the sintering temperatures. In electrode development, various materials and manufacturing techniques were evaluated, and a number of analysis techniques were developed to clarify the reaction mechanisms. The activity and stability of the electrodes were investigated using electrical conductivity relaxation, impedance spectroscopy, SIMS, in-situ XAS, and TGA, and the reaction mechanism of proton and electrode materials via kinetics studies. Based on this information, optimized composite cathode was selected. Using the knowledge obtained on the electrode and electrolyte, high performance PCFC was fabricated, and the maximum power density of 830mW/cm² at 600℃ was obtained.

(출처 : SUMMARY 11~12p)

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 4요 약 문 ... 5SUMMARY ... 9CONTENTS ... 14목차 ... 16제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 18 제 1 절 연구개발의 경제적·산업적 중요성 ... 18 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 19 제 3 절 연구개발의 목표 및 내용 ... 22제 2 장 국내외 기술 개발 현황 ... 27 제 1 절 해외 기술 개발 현황 ... 27 제 2 절 국내 연구개발 현황 ... 49제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 52 제 1 절 전해질 소재 선정 및 소결공정 최적화 ... 52 1. 전기 전도도 감쇄법을 이용한 BaZrO3 및 BaCeO3계 전해질의 전기화학적 특성 평가 ... 52 2. 소결조제 첨가(Zn, Cu)에 따른 BaZrO3계 전해질의 소결거동 및 전기 전도도 평가 ... 58 3. 소결조제 첨가(NiO)에 따른 BaZrO3계 전해질의 소결거동 및 전기적, 전기화학적 특성 평가 ... 60 4. Eutectic phase 첨가에 따른 BaZrO3계 전해질의 소결거동 및 전기 전도도 측정 ... 67 제 2 절 전해질 특성 향상 및 신전해질 탐색 ... 75 1. BaCeO3-BaZrO3 고용체 (BCZY) 전해질의 합성 및 물성 평가 ... 75 2. 합성 조건에 따른 BCZY 전해질의 화학적 안정성 및 물성변화 관찰 ... 82 3. Sr 첨가에 따른 BCZY 전해질의 화학적 안정성 개선 ... 92 4. Ba 부족에 의한 BSCZY 전해질의 화학적 안정성 평가 ... 95 5. Dopant 첨가에 따른 BaCeO3계 전해질의 화학적 안정성 및 전기화학적 특성 평가 ... 97 제 3 절 다공성 Cermet 음극기판 제작 ... 103 1. 분무 건조법에 의한 다공성 음극 과립 제조 및 음극 지지체 제작 ... 103 2. dip-coating법에 의한 음극 지지체 제작 ... 107 제 4 절 고 기능성 복합/다층 경사구조 음극기판 제작 ... 108 1. 고온 소결에 의한 BaZrO3계 전해질의 Ba 휘발 억제 ... 108 2. BaZrO3-BaCeO3 전해질 이중층 구조 음극기판 제작 ... 114 3. microwave 소결 법에 의한 BaCeO3-BaZrO3 고용체 (BCZY) 전해질 음극기판 제작 ... 119 제 5 절 양극소재 선정 및 분극특성 평가 ... 121 1. 프로톤 세라믹 연료전지의 양극소개 개발 ... 121 2. 단일 상 양극소재의 선택 ... 122 3. 복합체 양극소재의 선택 ... 153 제 6 절 양극소재 열화학적 안정성 평가 ... 159 1. 전해질/양극 반응에 의한 이차상 생성 ... 159 2. 전해질/양극의 상호 확산반응에 의한 상변화 ... 160 제 7 절 중 저온용 밀봉재 개발 ... 162 1. 유리-세라믹 복합체 기반 밀봉재의 합성 및 특성 평가 ... 162 2. 밀봉재의 밀봉성능 및 금속 접속자간 화학적 안정성 평가 ... 163 제 8 절 고기능성 단전지 출력특성 평가 ... 169 1. PLD 공정을 이용한 LSC 양극의 출력특성 평가 ... 169 2. microwave 공정을 이용한 BSCF 양극의 출력특성 평가 ... 171제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 174 제 1 절 목표달성도 ... 174 제 2 절 관련분야에의 기여도 ... 176제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 177제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 179제 7 장 참고문헌 ... 181끝페이지 ... 183